基于银泉大功率无线通信模块的电能表设计

文/王若鲁 万年旺 熊剑 陈飞

基于银泉大功率无线通信模块的电能表设计

文/王若鲁1万年旺1熊剑2陈飞1

本文介绍了一款支持银泉NIC模块的电能表的设计方案，银泉NIC模块是一款大功率无线通信模块，在海外有广泛的应用。此方案采用ACDC开关电源给通信模块供电，开关电源和电能表主电路中的电源是完全独立的，互不相干。对于掉电后发送掉电信号的需求，本方案用超级电容加升压电路配合，升压电路有较宽的工作电压范围，在超级电容电压降到很低时，升压电路还是可以正常输出设定的电压值，满足通信模块的输入电压要求。此方案可以有效降低两路电源之间的干扰，增加整个产品的可靠性，提高电源效率，降低了整表功耗。对于发送掉电信号，用更小的超级电容就可以满足要求，增加了电能的利用率、降低了整体成本、提高了稳定性。经过一系列实验验证如RF抗干扰测试和掉电维持时间测试证明此方案是可行的。另外，只需要微调一下通信接口，即可应用到其它大功率无线通信模块的电能表设计中。

智能电表 无线通信模块 开关电源掉电信号检测

银泉公司Silver Spring Networks（SSN）是美国的一家通信模块和系统集成公司，其主站系统在新加坡、澳大利亚、美国部分地区都有广泛的应用。本文旨在设计出一款支持银泉大功率无线通信模块的电能表，满足以上地区的电能表需求。此款电能表满足IEC62056标准要求，采用超大规模数字信号处理芯片、永久保存信息的存贮器、全隔离标准RS232通讯和红外通讯接口、大画面宽温液晶显示和信息安全加密等先进技术，具有电能量计量、信息存储及处理、实时监测、自动控制、信息交互等功能。外壳采用高强度、阻燃环保材料，造型新颖、美观适用，具有较高的绝缘强度和耐腐蚀性。

1 背景介绍

目前电能表的抄表功能主要有红外抄表，RS485抄表，PLC电力线载波抄表，小功率无线抄表，GPRS抄表等几种方式。无线抄表因为具有抄通率高、通讯效率高、安装成本低、可拓展应用多等优点在各类抄表模式中引起电表制造厂家的关注。在实际应用中无线通讯主要可以解决不入户抄表，实时上传数据，电表故障监测及未来实现智能电网合理分配电能等等功能。

美国银泉公司是一家知名的无线通信模块研发生产公司，目前新加坡、澳大利亚、美国部分地区都在使用银泉公司的HE主站系统。供给这些地区的电能表必须要能支持银泉的NIC通信模块。NIC通信模块是银泉公司的无线接口网卡，兼容RF和3G两种通信模式。此NIC通信模块在GSM模式下的功耗很大，平均功率达到8.8w，峰值功率12W，需要4V电压，最大3A电流。因此对电源的供电能力要求很高，需慎重考虑电源设计。

表1：掉电维持时间结果

另外，电能表在外部电网断电的时候，能够将断电时间和数据记录发送给集中器或主站系统，即掉电检测功能。银泉的NIC模块要求在外部电网断电后仍能在0.8A电流条件下维持6.25s供电时间（约20J能量）。

2 方案描述

电子式电能表问世以来，历经模拟乘法器计算、模拟/数字专用计量芯片、数字乘法器计算等阶段。

2.1 单相电能表基本原理

本电表设计方案采用采用超大规模数字信号处理芯片、集成的计量单元和继电器控制单元、通讯模块单独供电、永久保存信息的存贮器、全隔离标准串口通讯和红外通讯接口、大画面宽温液晶显示和信息安全加密等先进技术，采用模块化结构设计，满足IEC62056的DLMS/COSEM协议。

具体工作原理框图如图1所示。智能电能表工作时，电压、电流经传感器件转换为采样信号，并通过滤波处理后送入SOC芯片计量模块，计量模块将能量信号转化为数字信号送到SOC芯片，CPU模块进行电量脉冲采集、电量累计和各项计算分析处理，其结果保存在数据存贮中，并将电能信号转换成光电脉冲信号输出；同时CPU模块完成安全认证、红外、485抄表、LCD显示等功能处理。智能电能表带有温度补偿功能，保证时钟在标称温度下时钟日误差小于 0.5s/d。数据安全性上采用冗余设计，数据采用多重备份，确保计量数据可靠。

图1：单相智能电能表的原理框图

2.2 电源方案设计

为保证通信模块供电，并且不影响电表本身的工作，此电表设计方案使用一个开关电源和一个线性电源。电表主电源使用高效变压器供电，以减少电表成本，增加了电表计量功能的可靠性。通信模块使用单独的开关电源供电，以满足通信模块对电源抗干扰性、功率要求高、纹波小等要求。在开关电源上增加超级电容，并应用电压均衡电路，升压电路等技术，维持电源断电后的供电时间。通信模块放置在电表上方，通过插针的方式和电表硬连接。此方案的优点是通信模块采用开关电源单独供电，和电表的电源分开。这样将大的发热源放在电表上部，远离电表的计量元器件，降低了电表核心元器件的温升。另外，模块在电表上方，方便更换损坏的模块，且不影响电表的正常计量。工作人员在更换模块时，也接触不到强电的部分，不会有触电的危险。

此设计方案的电源设计包括AC输入电路、ACDC开关电源、超级电容、升压电路、通信模块和电能表主电路。连接结构如图2所示：AC输入电路外接电网， AC输入电路分别与ACDC开关电源和电能表主电路连接，ACDC开关电源分别与超级电容和通信模块连接，超级电容通过升压电路与通信模块连接，通信模块与电能表主电路数据连接。

图2：电表电源设计结构框图

本方案电能表从外部电网取电，AC输入电路分别为ACDC开关电源和电能表主电路提供220V交流电，ACDC开关电源有两个独立的输出通道，一路给通信模块供电，一路给超级电容充电。在外部电网断电时，超级电容通过升压电路给通信模块供电，确保通信模块将断电的事件传送出去。此电表主电路和通信模块只有数据接口相连接，同时增加隔离电路，保证了两者之间的独立性，提高了整体产品的可靠性。

3 方案验证

上述电能表用ACDC开关电源给通信模块供电，此电源和电能表主电路中的电源是完全独立的，互不相干，可以有效降低两路电源之间的干扰，增加整个产品的可靠性；另外，此电源没有通过主电路的转换，中间没有能量的损失，提高了整个产品的电源效率，降低了整个产品的功耗。

对于掉电后发送掉电信号的需求，上述电能表用超级电容加升压电路配合，因为升压电路有较宽的工作电压范围，在超级电容电压降到很低时，升压电路还是可以正常输出设定的电压值，满足通信模块的输入电压要求，因此，只需要用更小的超级电容就可以满足要求，增加了电能的利用率、降低了整个产品的成本；另外，相比超级电容的输出电压会随放电时间由高向低线性变化，升压电路的输出电压是恒定的值；因此稳定性更高，更符合通信模块对电压变化率的要求。

为验证此方案的可行性，除了电能表的一些基本参数，如精度、电磁兼容性能等，本电表还重点测试了电表的RF immunity性能和掉电维持性能。

3.1 电表RF immunity测试

针对本方案电能表的RF immunity测试，按银泉的要求搭建了实验环境，完成测试。

环境测试框图见图3，实际的整体实验环境图见图4。

测试步骤如下：

（1）用导线引出电能表的4V输出电压线，并用示波器监测4V电压。

（2）打开信号发生器，发射频率调至900M左右

（3）逐渐加大RF发射强度，观察4V电压是否有跌落，记录跌落时的发射强度。

根据银泉公司的要求，电表需要在38dBm环境下能正常工作，40dBm环境下能正常显示。我们在此实验环境下，当RF的发射强度达到48dBm 的时候，开关电源的4V输出电压仍然不跌落且保持稳定，满足银泉公司的要求。

3.2 掉电维持时间测试

针对掉电维持时间，本方案测量了断电事件最差负载情况下电能表的电源续航能力。保持时间应足够使NIC传递最后一息信息。测试步骤为：

图3：RF immunity环境搭建框图

图4：整体实验环境

（1）设定AC源到要求的电压和频率；

（2）使AC源给电能表供电10分钟以上，保证超级电容充满电；

（3）在电能表的模块4V供电端接DC直流负载，设定DC负载为800mA；

（4）关闭AC输入电压。通过DC负载和示波器触发；

（5）记录示波器波形；

（6）在25℃，-25℃和75℃的不同温度环境下重复测试1-5。

测试结果如表1所示。

根据银泉公司的要求，电能表在工作环境温度范围内，800mA负载情况下，掉电维持时间不低于6.25s。从上述测试结果看，此方案的掉电时间能够满足其要求。

4 结语

本文介绍了一款大功率通信模块电能表的设计方案，此方案用ACDC开关电源给通信模块供电，电源和电能表主电路中的电源是完全独立的，可以有效降低两路电源之间的干扰，增加整个产品的可靠性。另外，上述电能表用超级电容加升压电路配合，因为升压电路有较宽的工作电压范围，在超级电容电压降到很低时，升压电路还是可以正常输出设定的电压值，满足通信模块的输入电压要求。因此，只需要用更小的超级电容就可以满足要求，增加了电能的利用率、降低了整个产品的成本。为了验证此方案的可行性，除了电表常规的精度、功能测试、电磁兼容测试等，本文还专门正对无线通信模块的RF抗干扰能力和掉电维持能力进行了测试，结果表明此方案是可行的。上述电能表只需要微调一下通信接口，即可应用到其它大功率无线通信模块的电能表设计中，后期可继续研究优化。

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作者单位1.国电南瑞三能电力仪表（南京）有限公司江苏省南京市 210032
2.国电南瑞科技股份有限公司 江苏省南京市 211106

王若鲁(1988-)，男，硕士研究生，中级工程师，从事用电智能采集终端硬件研发。万年旺(1972-)，男，高级工程师，从事用电智能采集终端研发。熊剑(1978-)，男，高级工程师，从事用电智能采集终端研发。陈飞(1982-)，男，工程师，从事用电智能采集终端产品研发测试。